原子理论

现在我们回到进一步的量子实验知识。神秘的物理量h突然出现在原子内部,又突然出现在原子外部,让我们以所有原子中最简单的氢原子作为例子。氢原子包括一个质子和一个电子,质子即一个单位正电荷,电子即一个单位负电荷。质子几乎携带着原子的所有质量,像岩石一样位于原子中心,同时轻快的电子以圆形或椭圆轨道绕质子周围运动,它们之间存在引力的平方倒数法则。因此,这体系很像一个太阳和一个星球。但在太阳系内,星球的轨道可以任意大小以及任意偏心性,而电子被限制在一系列确定大小和形状的轨道上。在经典电磁理论里,并未施加任何这样的限制,但限制是存在的,也发现了施加限制的法则。它之所以发生,是因为原子极力使它内部的某种东西与h相等,中间轨道由于涉及h的分数而被排除,原因在于h是不可分割的。

但这里有一个松弛,当光波的能量从原子发出或进入原子时,强度和周期必须准确地与h相对应。但是考虑到原子的内部结构,它对2h、3h、4h等就不会反对了,它唯一坚持的是应该排除h的分数,此即为何许多电子的替代轨道要与h的不同整数倍相对应的理由。我们把这些乘数称为量子数,表示成量子轨道一、量子轨道二等。在此我不讨论对于什么是一个h准确倍数的确切定义,但在四维世界中来观察,可立即看出它是某种作用,虽然当我们在三维断面中用通常的方法观察时它并不十分明显。同样地,原子也有几种特征不受这个规则制约,因而还有其他几个量子数——对每个特征均有一个。但为了避免技术复杂性,我将只提到属于一个主要特征的量子数。

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根据尼尔斯·玻尔的原子图景,唯一可能的状态变化是一个电子从一个量子轨道转移到另一个量子轨道。一旦发生光的吸收或发射,这种跃迁就必然发生。设想处于一个较高能级轨道的一个电子,跃迁到一个能级较低的轨道,于是原子就具有多余的能量而必须消耗掉。总能量是固定的,它保持着以便确定变成以太波时,就将不得不具有振动周期。这好像难以置信,原子获得以太,却使以太在与其自身振动周期不同的任意其他周期里面振动。然而,这也是实验事实,当原子通过辐射使得以太振动时,它的电子循环周期便被忽视了,以太波周期并不由任何能够描述的机理确定,而看来是由人为的h规则所确定的。看起来就好像是原子疏忽大意地往船上扔了一个能量块,能量块逐渐变成以太时,它通过采用一个与能量的乘积等于h所必需的周期而把自己塑造成一个作用的量子。如果这个非机械的发射过程看来与我们的先入主见相反,那么吸收过程也会如此。此时,原子不得不寻求将一个电子提升到较高轨道所需要的准确的总能量,它只能从一个特定周期的以太波中获得这个能量——这个周期不是与原子构造共鸣的周期,而是使能量进入一个准确的量子的周期。

由于在轨道跃迁的能量和因为要达到固定量h而转移这些能量的光的周期之间的调整,或许是量子主导性的最明显的证据,所以值得解释一下如何测定原子中的轨道跃迁的能量。迫使电子通过一个确定电压降的电场有可能把一个已知的能量给予一个单个电子,如果这个电子击中一个原子,将导致原子内运动的电子中的一个跃迁到一个较高的轨道,但是,自然了,只有当这个能量足够电子跃迁时才会发生。如果电子所具有的能量太少,那它便什么也做不了,而必须带着自身的能量毫无损害地通过。让我们将一束具有相同的已知能量的电子发射到一群原子中,如果这个能量低于轨道跃迁所对应的能量,那电子流通过时只有普通的散射而不会干涉。现在逐渐增加电子的能量,我们突然会发现,电子留下了大量的能量而去,那意味着已经达到了临界能量,激励着轨道跃迁,由此我们就具有了能够测量轨道跃迁所需要的临界能量——原子两个状态之间的能量差异的方法。这个测量法有个优势,即它不牵涉任何关于常数h的知识,因此当我们使用所测得的能量来检验h规则时,不存在陷入循环论证之虞。[2]这个实验也很偶然地提供了反对“收集箱”理论的另一个理由,小的能量贡献并不作为好意而被接受,所提供的能量比跃迁所需的完整能量少的任何电子,完全不被获准做出任何贡献。